EP4584827A1 - Verfahren zur herstellung einer negativen elektrode, negative elektrode, galvanische zelle und verwendungen der galvanischen zelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer negativen elektrode, negative elektrode, galvanische zelle und verwendungen der galvanischen zelle

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EP4584827A1
EP4584827A1 EP23758297.8A EP23758297A EP4584827A1 EP 4584827 A1 EP4584827 A1 EP 4584827A1 EP 23758297 A EP23758297 A EP 23758297A EP 4584827 A1 EP4584827 A1 EP 4584827A1
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EP
European Patent Office
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metal structure
metal
group
combinations
range
Prior art date
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Pending
Application number
EP23758297.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kathrin SCHAD
Kai Peter BIRKE
Max Weeber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the process can be carried out simply and inexpensively and enables the production of a negative electrode that has a high energy density at the cell level as well as a high chemical, electrochemical and mechanical stability and in this way has a high cycle stability and enables high operating currents.
  • Commercial alkaline batteries e.g. lithium-ion batteries with a graphite anode
  • high process and delivery-related material costs create the need for alternative anode approaches.
  • the CN 109244374 A discloses a method for producing a (negative) electrode for an alkaline battery.
  • a nitrogen-doped stainless steel mesh and a metal foil made of lithium are mechanically compressed in a tablet press to produce an electrode comprising a three-dimensional porous lithium metal composite material.
  • the problem with the use of the metal foil, which consists of lithium, is that the production of the electrode is cost-intensive due to the challenging handling of lithium metal and the high material costs. Furthermore, the cycle stability of this electrode needs to be improved.
  • the method should be simple and provide in a cost-effective manner a negative electrode which, when used in a galvanic cell, has a high energy density at the cell level, a high chemical, electrochemical and mechanical stability and thus has a high cycle stability and high Operating currents enabled. Furthermore, uses of the galvanic cell should be suggested.
  • a method for producing a negative electrode for a galvanic cell comprising a) providing a flat metal structure which is selected from the group consisting of metal foil, expanded metal, perforated sheet metal, metal mesh and combinations thereof, wherein the flat metal structure has a flat top and has a flat bottom and has a certain height in a direction perpendicular to the top and bottom, wherein the metal structure is not made of lithium metal; b) applying a coating to the top of the metal structure, the coating containing or consisting of a polymer and/or ceramic particles; c) applying a flat top side of a flat metallic arrester to the underside of the metal structure, the metallic arrester having a flat underside and having a certain height in a direction perpendicular to the top and bottom, which is at most as large as the height of the metal structure, where the metallic arrester has a plurality of openings at least on the top; and d) pressing the metallic arrester over a certain distance, which at least partially corresponds to the
  • the method according to the invention can be carried out in a simple and cost-effective manner.
  • the method can be used to produce a negative electrode that has a high energy density at the cell level, a high chemical, electrochemical and mechanical stability and in this way has a high cycle stability and enables high operating currents.
  • a stable, immobilized, ion-conducting and electrically insulating passivation film is formed from decomposition products of the liquid electrolyte (solid electrolyte interface, SEI) in the pores of the coating.
  • SEI solid electrolyte interface
  • the coating takes on the role of a “SEI precursor”.
  • SEI stabilized by the coating serves as an additional protective layer for the metal structure.
  • the coating can already contain material that turns the coating into a solid electrolyte.
  • solid electrolyte is present the surface of the metal structure in concentrated form, that is, the ionic conductivity at this interface is high. In this way, the polarization effects are minimized.
  • the energy density of the electrode produced using the process is due to the feasibility of high-capacity anode materials such as lithium-aluminum Alloy very high.
  • the production of the electrode using the method according to the invention is also simple and cost-effective, since no metal structure made of lithium metal is used.
  • the metal structure used in the process may contain or consist of aluminum, the aluminum optionally with one of aluminum is alloyed with various metals, preferably in a proportion of 0.1 to 20.0% by weight, particularly preferably 0.5 to 5.0% by weight, based on the total weight of the metal structure.
  • a metal structure has the advantage that its specific gravity is very low (e.g. the specific density is only approx. 30% that of copper) and its specific electrical conductivity is relatively high (e.g. the electrical conductivity is approx. 65% that of copper ). Consequently, aluminum, for example, has a better ratio of electrical conductivity to specific weight than copper, which makes it more powerful and attractive than a metal structure made of copper, especially for mobile applications.
  • aluminum forms an alloy with lithium, which leads to a potential-related reduction in the risk of dendrites compared to lithium metal. Furthermore, aluminum can provide a low anode potential (U_anode) (U of LiAl alloy is approximately 0.3V vs Li/Li + , which is only slightly higher than the anode potential of commercially used graphite). In addition, aluminum can provide a high specific capacity (e.g. as LiAl 993 Ah/kg, which is three times the capacity of graphite).
  • the metal structure used in the method may have a height, in a direction perpendicular to a surface of the metal structure, in the range of 1 to 100 pm, preferably 5 to 50 pm, particularly preferably 10 to 40 pm.
  • the Meta II structure used in the method can have a top and/or bottom that has a surface structuring.
  • the surface structuring may be selected from the group consisting of brushed surface structuring, ridged surface structuring, embossed surface structuring, and combinations thereof.
  • the ceramic particles of the coating used in the method may contain or consist of a material selected from the group consisting of ceramic oxide, ceramic sulfide, ceramic sulfate, ceramic phosphide, ceramic phosphate, ceramic silicate, ceramic nitride, ceramic nitrate and combinations of this.
  • the material used in the process is particularly preferably selected from the group consisting of lithium phosphorus sulfide (U3PS4), lithium germanium phosphorus sulfide (LiioGePzS), lithium silicon phosphorus sulfide (LinSizPS), LiePSsCI, LißPSsBr, aluminum oxide, aluminum silicate, lithium aluminum silicate and combinations thereof , where the material is in particular aluminum oxide (AI2O3).
  • AI2O3 has the advantage of being inexpensive compared to solid electrolyte salts such as lithium phosphorus sulfide. Furthermore, AI2O3 forms an inert protective layer so that no undesirable side reactions occur. In addition, processing A Os particles in the coating ensures porous structures, which results in optimized electrolyte distribution, i.e. an SEI precursor effect.
  • the material used in the method can have an average particle diameter dso in the range from 0.05 to 30 pm, preferably in the range from 0.1 to 1 pm, the average particle diameter referring to a particle diameter determined using dynamic light scattering.
  • the coating polymer used in the process may contain or consist of a plastic selected from the group consisting of acrylonitrile-butadiene rubber, hydrogenated acrylonitrile-butadiene rubber, polyisobutylene, and combinations thereof.
  • the plastics selected from this group have the advantage that the coating binds to the (top of the) metal structure with a high binding force (i.e. it is These are polymeric binders).
  • the binding strength is higher than, for example, polyolefins (such as polypropylene).
  • the coating also contains ceramic particles, the bonding force to the ceramic particles is also high, which means that they are stable in the coating.
  • the plastic is particularly preferably polyisobutylene.
  • Polyisobutylene has the advantage that it causes good adhesion, that is, good adhesion of the coating, and the sustainability and environmental friendliness of polyisobutylene is higher compared to fluorinated compounds.
  • the coating can be rolled on mechanically.
  • the coating can be applied in the process via wet coating and/or dry coating.
  • the coating can be applied in the method by applying a mechanical pressure to the coating in the direction of the metal structure of at least 2000 kg/cm 2 , preferably a mechanical pressure in the range of 2500 to 6000 kg/cm 2 , and preferably in the Metal structure is pressed.
  • the mechanical pressure is particularly preferably applied via a cold lever press for a period of 10 to 20 seconds at a temperature in the range of 20 to 30 ° C.
  • the coating applied in the process can have a height in the range of 0.05 to 200 pm, preferably 0.1 to 100 pm, in a direction perpendicular to the top of the metal structure.
  • the coating applied in the process can be a porous coating.
  • the coating applied in the process can be contacted with a liquid electrolyte and/or gel electrolyte for a galvanic cell.
  • the liquid electrolyte and/or gel electrolyte can contain a lithium conductive salt and/or a sodium conductive salt, the lithium conductive salt being in particular selected from the group consisting of LiPFe, LiCIC, LiNOs, CßHisLiNSiz, FzLiNC Sz, CzFßLiNC Sz, LiBfCzC h , LiBF4 and combinations thereof and/or the sodium conductive salt is particularly selected from the group consisting of NaPFe, NaBF4, NaTF, NaTFSI, NaCIC and combinations thereof.
  • the lithium conductive salt being in particular selected from the group consisting of LiPFe, LiCIC, LiNOs, CßHisLiNSiz, FzLiNC Sz, CzFßLiNC Sz, LiBfCzC h , LiBF4 and combinations thereof
  • the sodium conductive salt is particularly selected from the group consisting of NaPFe, NaBF4, NaTF, NaTFSI, NaCIC and combinations thereof.
  • the coating applied in the method can assume a quasi-solid state or a gel-like state through contact with a liquid electrolyte.
  • the metallic arrester used in the method can be inserted into the metal structure by exerting a mechanical pressure on the underside of the metallic arrester in the direction of the metal structure of at least 2000 kg/cm 2 , preferably a mechanical pressure in the range of 2500 to 6000 kg/cm 2 are pressed in, the mechanical pressure being particularly preferably applied via a cold lever press for a period of 10 to 20 seconds at a temperature in the range of 20 to 30 ° C.
  • the metallic arrester used in the method can have a large number of through openings from the top to the bottom.
  • the metallic arrester used in the method can contribute to mechanical resistance to volumetric expansion during cycling when operating the electrode in a galvanic cell, in particular being mechanically resistant to volumetric expansion during cycling when operating the electrode in a galvanic cell.
  • the metallic arrester used in the method can have a height in the range of 1 to 100 pm, preferably 5 to 50 pm, particularly preferably 10 to 40 pm, optionally 10 to 20 pm in a direction perpendicular to the underside of the metal structure.
  • the metallic arrester used in the method can be designed as a perforated foil, perforated expanded metal or wire mesh.
  • the metallic arrester is preferably designed as a wire network.
  • the advantage of a wire network is that finely distributed heterogeneities are introduced through a fine-mesh network can be made, which results in a homogeneous, three-dimensional current density distribution over the entire negative electrode (anode).
  • the wire mesh particularly preferably has a mesh size in the range from 0.01 to 0.1 mm, in particular in the range from 0.04 to 0.063 ⁇ m.
  • the wire network contains or consists of wires which have a diameter in the range from 0.020 to 0.050 mm, preferably in the range from 0.028 to 0.040 mm.
  • a negative electrode for a galvanic cell is further provided, containing or consisting of i) a flat Meta II structure, which is selected from the group consisting of metal foil, expanded metal, perforated sheet metal, metal mesh and combinations thereof, the metal structure having a flat top and has a flat bottom and has a certain height in a direction perpendicular to the top and bottom, wherein the metal structure is not made of lithium metal; ii) a coating applied to the top of the metal structure, the coating containing or consisting of a polymer and/or ceramic particles; and iii) a flat metallic arrester, wherein the metallic arrester has a flat top and a flat underside and has a certain height in a direction perpendicular to the top and bottom, which is at most as large as the height of the metal structure, wherein the metallic arrester is at least has a plurality of openings on the top; wherein the metallic arrester is embedded in the metal structure over a certain distance from the underside of the metal structure towards the
  • the negative electrode according to the invention can be provided easily and inexpensively. It has and points to high energy density at the cellular level as well as high chemical, electrochemical and mechanical stability Have high cycle stability. It also enables high operating currents.
  • the metal structure of the electrode can contain or consist of aluminum, the aluminum optionally being alloyed with a metal other than aluminum, preferably in a proportion of 0.1 to 20.0% by weight, particularly preferably 0.5 to 5.0 % by weight, based on the total weight of the metal structure.
  • a metal structure has the advantage that its specific gravity is very low (e.g. the specific density is only approx. 30% that of copper) and its specific electrical conductivity is relatively high (e.g. the electrical conductivity is approx. 65% that of copper ). Consequently, aluminum, for example, has a better ratio of electrical conductivity to specific weight than copper, which makes it more powerful and attractive than a metal structure made of copper, especially for mobile applications.
  • the metal structure of the electrode can have at least one element selected from the II main group of the periodic table, the III. Main group of the periodic table, the IVth main group of the periodic table, a subgroup of the periodic table and combinations thereof, wherein the at least one element is preferably selected from the group consisting of magnesium, indium, zinc, tin, silicon, manganese and combinations thereof.
  • the metal structure of the electrode may have a height, in a direction perpendicular to the top of the metal structure, in the range of 1 to 100 pm, preferably 5 to 50 pm, particularly preferably 10 to 40 pm.
  • the Meta II structure of the electrode can have a top and/or bottom that has a surface structuring.
  • the surface structuring may be selected from the group consisting of brushed surface structuring, ridged surface structuring, embossed surface structuring, and combinations thereof.
  • the ceramic particles of the coating may contain or consist of a material selected from the group consisting of ceramic oxide, ceramic sulfide, ceramic sulfate, ceramic phosphide, ceramic phosphate, ceramic silicate, ceramic nitride, ceramic nitrate, and combinations thereof.
  • the material is particularly preferably selected from the group consisting of lithium phosphorus sulfide (U3PS4), lithium germanium phosphorus sulfide (LiioGePzS), lithium silicon phosphorus sulfide (LinSizPSiz), LiePSsCI, LißPSsBr, aluminum oxide, aluminum silicate, lithium aluminum silicate and combinations thereof, the material in particular aluminum oxide (AI2O3).
  • AI2O3 has the advantage of being inexpensive compared to solid electrolyte salts such as lithium phosphorus sulfide. Furthermore, AI2O3 forms an inert protective layer so that no undesirable side reactions occur. In addition, processing A Os particles in a coating ensures a porous structure, which results in optimized electrolyte distribution, i.e. an SEI precursor effect.
  • the ceramic particles of the coating can have an average particle diameter dso in the range from 0.05 to 30 pm, preferably in the range from 0.1 to 1 pm, the average particle diameter referring to a particle diameter determined using dynamic light scattering.
  • the polymer of the coating may contain or consist of a plastic selected from the group consisting of acrylonitrile-butadiene rubber, hydrogenated acrylonitrile-butadiene rubber, polyisobutylene, and combinations thereof.
  • the plastic is particularly preferably polyisobutylene.
  • Polyisobutylene has the advantage that it causes good adhesion, that is, it causes the coating to adhere well. Furthermore, the sustainability and environmental friendliness of polyisobutylene is higher compared to fluorinated compounds.
  • the polymer of the coating can contain or consist of a fluorinated plastic, the fluorinated plastic being in particular selected from the group consisting of PVDF, PVDF-HFP and combinations thereof.
  • the coating can be rolled on mechanically.
  • the coating can be applied via wet coating and/or dry coating.
  • the coating can be pressed onto, and preferably pressed into, the metal structure by exerting a mechanical pressure on the coating in the direction of the Meta II structure of at least 2000 kg/cm 2 , preferably a mechanical pressure in the range of 2500 to 6000 kg/cm 2 have been, the mechanical pressure being particularly preferably applied via a cold lever press for a period of 10 to 20 seconds at a temperature in the range of 20 to 30 ° C.
  • the coating can have a height in the range of 0.05 to 2 pm, preferably 0.1 to 1 pm, in a direction perpendicular to the top of the metal structure.
  • the liquid electrolyte and/or gel electrolyte may contain a liquid selected from the group consisting of EC, PC, DMC, EMC, DEC, VEC, VC, FEC, TBAC (acetyltributyl citrate), GTB (glycerol tributyrate), GTA (glycerol triacetate), y-Buthyrolactone, ionic liquid and combinations thereof.
  • the liquid electrolyte and/or gel electrolyte particularly preferably contains a liquid which is selected from the group consisting of PC, FEC, EC, VEC, TBAC, GTB, GTA, ionic liquid and combinations thereof.
  • PC, FEC, EC, VEC, TBAC, GTB, GTA and ionic liquids have the advantage that they are high-boiling liquids that have a high temperature stability, which reduces the risk of fire and increases operational safety.
  • the liquid electrolyte and/or gel electrolyte can contain a lithium conductive salt and/or a sodium conductive salt, the lithium conductive salt being in particular selected from the group consisting of LiPFe, LiCIC, LiNOs, CßHisLiNSiz, FzLiNC Sz, CzFßLiNC Sz, LiBfCzC h , LiBF4 and combinations thereof and/or the sodium conductive salt is particularly selected from the group consisting of NaPFe, NaBF4, NaTF, NaTFSI, NaCIC and combinations thereof.
  • the lithium conductive salt being in particular selected from the group consisting of LiPFe, LiCIC, LiNOs, CßHisLiNSiz, FzLiNC Sz, CzFßLiNC Sz, LiBfCzC h , LiBF4 and combinations thereof
  • the sodium conductive salt is particularly selected from the group consisting of NaPFe, NaBF4, NaTF, NaTFSI, NaCIC and combinations thereof.
  • the metallic arrester may contain or consist of a metal that has a higher Vickers hardness than the metal of the metal structure.
  • the metallic arrester can contain or consist of a metal that is selected from the group consisting of stainless steel, copper, nickel and combinations and alloys thereof, the metal preferably being stainless steel, in particular stainless steel 1.4301.
  • Stainless steel has the advantage that it has a high Vickers hardness and does not form an alloy with lithium. Furthermore, it is available as a low-cost, commercial material in all shapes and structures.
  • the metallic arrester can have a large number of continuous openings from the top to the bottom. It is preferred that the metallic arrester contribute to the mechanical resistance to volumetric expansion during cycling when operating the electrode in a galvanic cell, in particular to be mechanically resistant to volumetric expansion during cycling when operating the electrode in a galvanic cell.
  • the metallic arrester can have a height in the range of 1 to 100 ⁇ m, preferably 5 to 50 ⁇ m, particularly preferably 10 to 40 ⁇ m, optionally 10 to 20 ⁇ m, in a direction perpendicular to the underside of the Meta II structure.
  • the metallic arrester can be designed as a perforated film, perforated expanded metal or wire mesh.
  • the metallic arrester is preferably designed as a wire network.
  • the advantage of a wire network is that finely distributed heterogeneities can be introduced through a fine-mesh network, which results in a homogeneous, three-dimensional current density distribution over the entire negative electrode (anode).
  • the wire mesh particularly preferably has a mesh size in the range from 0.01 to 0.1 mm, in particular in the range from 0.04 to 0.063 pm.
  • the wire network particularly preferably contains or consists of wires which have a diameter in the range from 0.020 to 0.050 mm, preferably in the range from 0.028 to 0.040 mm.
  • the negative electrode according to the invention is produced using the method according to the invention.
  • the negative electrode according to the invention has features that are inevitably caused by carrying out the method according to the invention in the negative electrode.
  • a galvanic cell which contains a negative electrode (anode) according to the invention, a cathode and an electrolyte.
  • the electrolyte is preferably a liquid electrolyte, which may be present in a gel formed by the coating and the liquid electrolyte due to diffusion into the coating.
  • a coating 2 e.g. aluminum silicate coating
  • a metal structure 3 e.g. an aluminum foil
  • a metallic arrester 4 e.g. a stainless steel wire net
  • the metallic arrester 4 is pressed into the underside of the metal structure 3, so that a lower section 7 of the metal structure 3 is created, into which the metallic arrester 4 is pressed.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode, eine negative Elektrode, eine galvanische Zelle und Verwendungen der galvanischen Zelle vorgestellt. In dem Verfahren wird auf eine Oberseite einer flächigen Metallstruktur, die nicht aus Lithium besteht, eine Beschichtung aufgebracht, die ein Polymer und/oder keramische Partikel enthält oder daraus besteht, und auf eine Unterseite der flächigen Metallstruktur ein metallischer Ableiter aufgebracht, der in Richtung der Metallstruktur eine Vielzahl von Öffnungen aufweist. Anschließend wird der metallische Ableiter durch Ausübung eines mechanischen Drucks in die Metallstruktur eingedückt, wodurch sich die Öffnungen des metallischen Ableiters zumindest bereichsweise mit Metall der Metallstruktur füllen. Das Verfahren ist einfach und kostengünstig durchführbar und ermöglicht die Herstellung einer negativen Elektrode, die eine hohe Energiedichte auf Zellebene sowie eine hohe chemische, elektrochemische und mechanische Stabilität aufweist und auf diese Weise eine hohe Zykelstabilität aufweist und hohe Betriebsströme ermöglicht.

Description

Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode, negative Elektrode, galvanische Zelle und Verwendungen der galvanischen Zelle
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode, eine negative Elektrode, eine galvanische Zelle und Verwendungen der galvanischen Zelle vorgestellt. In dem Verfahren wird auf eine Oberseite einer flächigen Metallstruktur, die nicht aus Lithium besteht, eine Beschichtung aufgebracht, die ein Polymer und/oder keramische Partikel enthält oder daraus besteht, und auf eine Unterseite der flächigen Metallstruktur ein metallischer Ableiter aufge- bracht, der in Richtung der Metallstruktur eine Vielzahl von Öffnungen aufweist. Anschließend wird der metallische Ableiter durch Ausübung eines mechanischen Drucks in die Metallstruktur eingedückt, wodurch sich die Öffnungen des metallischen Ableiters zumindest bereichsweise mit Metall der Metallstruktur füllen. Das Verfahren ist einfach und kostengünstig durchführbar und ermöglicht die Herstellung einer negativen Elektrode, die eine hohe Energiedichte auf Zellebene sowie eine hohe chemische, elektrochemische und mechanische Stabilität aufweist und auf diese Weise eine hohe Zykelstabilität aufweist und hohe Betriebsströme ermöglicht. Kommerziell Alkali-Batterien (z.B. Lithium-Ionen-Batterien mit einer Graphitanode) sind materialbedingt an einem Limit bezüglich der möglichen Energiedichte angelangt. Zusätzlich zu den steigenden Leistungsanforderungen sorgen hohe prozess- und lieferbedingte Materialkosten für die Notwendigkeit alternativer Anodenansätze.
Zur Verbesserung der Energiedichte von Alkali-Batterien wurde in der Literatur vorgeschlagen, anstelle einer Graphit-basierten negativen Elektrode (Anode) metallisches Lithium, Li-Metalllegierungen oder Na-Metalllegierungen zu verwenden (z.B. eine LiAI-Legierung oder eine NaAI-Legierung). Die Verwendung von reinem Lithium bzw. von Metalllegierungen führt jedoch zu einer unzureichenden Zykelfestigkeit und ist mit hohen Herstellungskosten und Materialkosten verbunden.
Die CN 109244374 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer (negativen) Elektrode für eine Alkali-Batterie. In dem Verfahren wird ein mit Stickstoff dotiertes Edelstahlgewebe und eine Metallfolie, die aus Lithium besteht, in einer Tablettenpresse mechanisch zusammengepresst, um ein Elektrode herzustellen, die ein dreidimensionales, poröses Lithiummetall-Verbundmaterial aufweist. Problematisch an der Verwendung der Metallfolie, die aus Lithium besteht ist, dass die Herstellung der Elektrode, durch herausfordernde Handhabung von Lithiummetall und die hohen Materialkosten, kostenintensiv ist. Ferner ist die Zykelfestigkeit dieser Elektrode verbesserungswürdig.
Die JP S62 139276 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Alkali-Batterie, bei dem in der negativen Elektrode eine Lithium-Aluminium-Legierung eingesetzt wird, wobei der Lithiumgehalt in der Lithium-Aluminium-Legierung auf 35-45 Mol-% eingestellt wird. In dem Verfahren kommt es zu einer direkten Verarbeitung von Lithiummetall, d.h. es kommt schon bei einem Heißpressvorgang zu einer Legierungsbildung von Lithiummetall mit Aluminium. Eine direkte Verarbeitung von Lithiummetall ist herausfordern und kostenintensiv. Ferner ist die Zykelfestigkeit der negativen Elektrode der hergestellten Alkali-Batterie verbesserungswürdig. Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine galvanische Zelle, eine negative Elektrode für eine galvanische Zelle und eine galvanische Zelle bereitzustellen, welche die Nachteile aus dem Stand derTechnik nicht aufweisen. Insbesondere sollte das Verfahren einfach sein und auf kostengünstige Art und Weise eine negative Elektrode bereitstellen, die bei ihrer Verwendung in einer galvanischen Zelle eine hohe Energiedichte auf Zellebene, eine hohe chemische, elektrochemische und mechanische Stabilität aufweist und auf diese Weise eine hohe Zykelstabilität aufweist und hohe Betriebsströme ermöglicht. Ferner sollten Verwendungen der galvanischen Zelle vorgeschlagen werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, die negative Elektrode mit den Merkmalen von Anspruch 8, die galvanische Zelle mit den Merkmalen von Anspruch 15 und die Verwendung mit den Merkmalen von Anspruch 16. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine galvanische Zelle bereitgestellt, umfassend a) Bereitstellen einer flächigen Metallstruktur, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metallfolie, Streckmetall, Lochblech, Metallnetz und Kombinationen hiervon, wobei die flächige Metallstruktur eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, wobei die Metallstruktur nicht aus Lithiummetall besteht; b) Aufbringen einer Beschichtung auf die Oberseite der Metallstruktur, wobei die Beschichtung ein Polymer und/oder keramische Partikel enthält oder daraus besteht; c) Aufbringen einer flächigen Oberseite eines flächigen metallischen Ableiters auf die Unterseite der Metallstruktur, wobei der metallische Ableiter eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, die maximal so groß ist wie die Höhe der Metallstruktur, wobei der metallische Ableiter zumindest auf der Oberseite eine Vielzahl von Öffnungen aufweist; und d) Eindrücken des metallische Ableiters über eine bestimmte Strecke, die zumindest teilweise der Höhe des metallischen Ableiters entspricht, in die Meta I Istru ktu r durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Unterseite des metallischen Ableiters, wodurch sich die Öffnungen des metallischen Ableiters zumindest entlang der bestimmten Strecke mit Metall der Metallstruktur füllen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf einfache und kostengünstige Art und Weise durchführbar. Mit dem Verfahren kann eine negative Elektrode hergestellt werden, die eine hohe Energiedichte auf Zellebene, eine hohe chemische, elektrochemische und mechanische Stabilität aufweist und auf diese Weise eine hohe Zykelstabilität aufweist und hohe Betriebsströme ermöglicht.
Diese Vorteile ergeben sich aus dem Eindrücken des metallischen Ableiters über eine bestimmte Strecke, die zumindest teilweise der Höhe des metallischen Ableiters entspricht, in die Metallstruktur unter Füllung der Öffnungen des metallischen Ableiters mit Metall der Metallstruktur, da hierbei ein sehr inniger mechanischer Kontakt und elektrisch leitender Kontakt zwischen der Metallstruktur und dem metallischen Ableiter an deren Unterseite entsteht. Weist der elektrisch leitende Kontakt und/oder die Metallstruktur vor dem Eindrücken eine Metalloxid-Schicht auf der Oberfläche auf (z.B. Aluminiumoxid bei Aluminium), so kommt es aufgrund des Eindrückens zu einem mechanischen Aufreißen der Metalloxid-Schicht, was den elektrischen Kontakt zwischen der Metallstruktur und dem metallischen Ableiter verbessert. Zusätzlich entfällt auf diese Weise der Spannungsverlust bedingt durch das Durchbrechen der Oxid- schicht beim ersten Laden. Die Vielzahl von Öffnungen, die der metallische Ableiter zumindest auf der Oberseite aufweist, bewirken zudem, dass Material der Metallstruktur in diese Öffnungen eingedrückt wird und eine homogenere Verteilung der Stromdichte bei einem Betrieb der Elektrode erfolgen kann.
Bei dem in dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführten Eindrücken entsteht zwangsweise auch eine Kraft auf die Beschichtung auf der Oberseite der Metallstruktur, welche die Beschichtung, die auf der Oberfläche der Oberseite der Metallstruktur aufgebracht wurde, auf die Oberfläche der Metallstruktur aufdrückt bzw. sogar zumindest teilweise in diese hineindrückt. Folglich entsteht auch ein inniger mechanischer Kontakt zwischen der Metallstruktur und der Beschichtung auf der Oberseite der Metallstruktur, was die mechanische Belastbarkeit erhöht und durch den sich einstellenden Konzentrationsgradienten die Elektrolytverteilung an der Grenzfläche begünstigt. Die homogene Elektrolytverteilung hat den Vorteil einer homogenen Legierungsbildung, was zu erhöhter Zykelstabilität und einer optimierten Kapazitätsausnutzung führt. Im Zellbetrieb bildet sich in den Poren der Beschichtung ein stabiler, immobilisierter, ionenleitender und elektrisch isolierender Passivierungsfilm aus Zersetzungsprodukten des Flüssigelektrolyts (Solid electrolyte interface, SEI). Die Beschichtung nimmt hierbei dir Rolle eines „SEI-Precursors" ein. Die durch die Beschichtung stabilisierte SEI dient hierbei als zusätzliche Schutzschicht der Metallstruktur. Die Beschichtung kann jedoch bereits Material enthalten, welches die Beschichtung zu einem Festelektrolyten macht. In diesem Fall liegt Festelektrolyt an der Oberfläche der Metallstruktur in konzentrierter Form vor, d.h. die ionische Leitfähigkeit an dieser Grenzfläche ist hoch. Auf diese Weise werden die Polarisationseffekte minimiert. Die Energiedichte der über das Verfahren hergestellten Elektrode ist aufgrund der Realisierbarkeit von hochkapazitiven Anodenmaterialien wie bspw. der Lithium-Aluminium-Legierung sehr hoch.
Die Zykelfestigkeit der über das Verfahren hergestellten Elektrode ist hoch, da die Struktur der hergestellten Elektrode ein Dendritenwachstum unterdrückt. Dadurch erhöht sich auch die Sicherheit beim Betrieb der hergestellten Elektrode, da ein Dendriten-bedingter Kurzschluss vermieden werden kann.
Die Produktion der Elektrode über das erfindungsgemäße Verfahren gestaltet sich zudem einfach und kostengünstig, da keine Metallstruktur aus Lithiummetall verwendet wird.
Die Vielzahl von Öffnungen, die der metallische Ableiter zumindest auf der Oberseite aufweist, können durchgängige Öffnungen sein. Folglich kann der metallische Ableiter auch an seiner Unterseite eine Vielzahl von Öffnungen aufweisen. Der Vorteil hierbei ist, dass die Homogenität der Stromdichte während einem Betrieb der Elektrode durch die Dreidimensionalität der Ableiterstruktur noch weiter gesteigert ist. Auf diese Weise kommt es zur gleichmäßigen Materialbelastung und daher zu einer gesteigerten Zykelstabilität.
Die in dem Verfahren verwendete Metallstruktur kann Aluminium enthalten cider daraus bestehen, wobei das Aluminium optional mit einem von Aluminium verschiedenen Metall legiert ist, bevorzugt in einem Anteil von 0,1 bis 20,0 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5 bis 5,0 Gew.-%, in Bezug auf das Gesamtgewicht der Metallstruktur. Eine solche Metallstruktur hat den Vorteil, dass ihr spezifisches Gewicht sehr gering ist (z.B. ist die spezifische Dichte nur ca. 30% der von Kupfer) und ihre spezifische elektrische Leitfähigkeit verhältnismäßig hoch ist (z.B. ist die elektrische Leitfähigkeit ca. 65% der von Kupfer). Folglich weist Aluminium beispielsweise gegenüber Kupfer ein besseres Verhältnis aus elektrischer Leitfähigkeit zu spezifischem Gewicht auf, was es gerade für mobile Anwendungen leistungsfähiger und attraktiver als eine Metallstruktur aus Kupfer macht. Ein weiterer Vorteil von Aluminium ist, dass es eine Legierung mit Lithium ausbildet, die zu einer potenzialbedingten Herabsetzung der Dendritengefahr im Vergleich zu Lithiummetall führt. Ferner kann Aluminium ein niedriges Anodenpotenzial (U_anode) bereitstellen (U von LiAI-Legierung ist ca. 0,3V vs Li/Li+, was nur geringfügig über dem Anodenpotenzial von kommerziell verwendetem Graphit liegt). Darüber hinaus kann Aluminium eine hohe spezifische Kapazität bereitstellen (z.B. als LiAl 993 Ah/kg, was der dreifachen Kapazität von Graphit entspricht). Durch die hohe sich ergebende Gesamtkapazität C und der hohen sich ergebenden Zellspannung U (U = U_kathode - U_anode) ermöglicht Aluminium eine hohe Energiedichte E = C * U auf Zellebene und ist kostengünstiger als andere passende Legierungsbildner wie Indium oder Silizium.
Ferner kann die in dem Verfahren verwendete Metallstruktur mindestens ein Element ausgewählt aus der II. Hauptgruppe des Periodensystems, der III. Hauptgruppe des Periodensystems, der IV. Hauptgruppe des Periodensystems, einer Nebengruppe des Periodensystems und Kombinationen hiervon enthalten, wobei das mindestens eine Element bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesium, Indium, Zink, Zinn, Silizium, Mangan und Kombinationen hiervon.
Darüber hinaus kann die in dem Verfahren verwendete Metallstruktur eine Höhe, in einer Richtung senkrecht auf eine Fläche der Metallstruktur, im Bereich von 1 bis 100 pm, bevorzugt 5 bis 50 pm, besonders bevorzugt 10 bis 40 pm, aufweisen. Abgesehen davon kann die in dem Verfahren verwendete Meta II Struktur eine Oberseite und/oder Unterseite aufweisen, die eine Oberflächenstrukturierung aufweist. Die Oberflächenstrukturierung kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus gebürstete Oberflächenstrukturierung, geriffelte Oberflächenstrukturierung, geprägte Oberflächenstrukturierung und Kombinationen hiervon.
Die in dem Verfahren verwendeten keramischen Partikel der Beschichtung können ein Material enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus keramisches Oxid, keramisches Sulfid, keramisches Sulfat, keramisches Phosphid, keramisches Phosphat, keramisches Silikat, keramisches Nitrid, keramisches Nitrat und Kombinationen hiervon. Das in dem Verfahren verwendete Material ist besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumphosphorsulfid (U3PS4), Lithium-Germanium- Phosphorsulfid (LiioGePzS ), Lithium-Silizium-Phosphorsulfid (LinSizPS ), LiePSsCI, LißPSsBr, Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Lithiumaluminiumsilikat und Kombinationen hiervon, wobei das Material insbesondere Aluminiumoxid (AI2O3) ist. AI2O3 hat den Vorteil, dass es kostengünstig im Vergleich zu Festelektrolytsalzen wie Lithiumphosphorsulfid ist. Ferner bildet AI2O3 eine inerte Schutzschicht aus, sodass keine unerwünschten Nebenreaktionen auftreten. Darüber hinaus sorgt eine Verarbeitung von A Os-Partikeln in der Beschichtung für poröse Strukturen, was eine optimierte Elektrolytverteilung, d.h. einen SEI- P re cursor- Effekt, bewirkt.
Ferner kann das in dem Verfahren verwendete Material einen mittleren Partikeldurchmesser dso im Bereich von 0,05 bis 30 pm, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 1 pm, aufweisen, wobei sich der mittlere Partikeldurchmesser auf einen mit dynamischer Lichtstreuung bestimmten Partikeldurchmesser bezieht.
Das in dem Verfahren verwendete Polymer der Beschichtung kann einen Kunststoff enthalten oder daraus bestehen, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, hydrierter Acrylnitril-Butadien- Kautschuk, Polyisobutylen und Kombinationen hiervon. Die aus dieser Gruppe ausgewählten Kunststoffe haben den Vorteil, dass die Beschichtung mit einer hohen Bindungskraft an die (Oberseite der) Metallstruktur bindet (d.h. es han- delt sich um polymere Bindemittel). Die Bindungskraft ist höher als beispielsweise bei Polyolefinen (wie z.B. Polypropylen). Enthält die Beschichtung ferner keramische Partikel, so ist die Bindungskraft auch zu den keramischen Partikeln hoch, wodurch diese stabil in der Beschichtung vorliegen. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Kunststoff um Polyisobutylen. Polyisobutylen hat den Vorteil, dass es eine gute Adhäsion bewirkt, d.h. eine gute Haftung der Beschichtung hervorruft, und die Nachhaltigkeit und Umweltverträglich von Polyisobutylen im Vergleich zu fluorierten Verbindungen höher ist.
Ferner kann das in dem Verfahren verwendete Polymer einen fluorierten Kunststoff enthalten oder daraus bestehen, wobei der fluorierte Kunststoff insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PVDF, PVDF-HFP und Kombinationen hiervon. Auch die aus dieser Gruppe ausgewählten Kunststoffe haben den Vorteil, dass die Beschichtung mit einer hohen Bindungskraft an die (Oberseite der) Metallstruktur bindet (d.h. es handelt sich um polymere Bindemittel). Die Bindungskraft ist höher als beispielsweise bei Polyolefinen (wie z.B. Polypropylen). Enthält die Beschichtung ferner keramische Partikel, so ist die Bindungskraft auch zu den keramischen Partikeln hoch, wodurch diese stabil in der Beschichtung vorliegen.
In dem Verfahren kann die Beschichtung mechanisch aufgewalzt werden.
Ferner kann die Beschichtung in dem Verfahren über Nassbeschichtung und/oder Trockenbeschichtung aufgebracht werden.
Darüber hinaus kann die Beschichtung in dem Verfahren durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Beschichtung in Richtung der Metallstruktur von mindestens 2000 kg/cm2, bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm2, auf, und bevorzugt in, die Metallstruktur gedrückt werden. Besonders bevorzugt wird der mechanische Druck über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert.
Zudem kann die in dem Verfahren aufgebrachte Beschichtung in einer Richtung senkrecht auf die Oberseite der Metallstruktur, eine Höhe im Bereich von 0,05 bis 200 pm, bevorzugt 0,1 bis 100 pm, aufweisen. Ferner kann die in dem Verfahren aufgebrachte Beschichtung eine poröse Beschichtung sein.
Darüber hinaus kann die in dem Verfahren aufgebrachte Beschichtung mit einem Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt für eine galvanische Zelle kontaktiert werden.
Der Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt kann eine Flüssigkeit enthalten, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus EC, PC, DMC, EMC, DEC, VEC, VC, FEC, TBAC (Acetyltributylcitrat), GTB (Glycerintributyrat), GTA (Glycerintriacetat), y-Buthyrolacton, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon, besonders bevorzugt eine Flüssigkeit enthalten, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PC, FEC, EC, VEC, TBAC, GTB, GTA, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon. PC, FEC, EC, VEC, TBAC, GTB, GTA und ionische Flüssigkeiten haben den Vorteil, dass sie hochsiedende Flüssigkeiten sind, die eine hohe Temperaturstabilität aufweisen, was die Brandgefahr herabsetzt und die Betriebssicherheit erhöht.
Ferner kann der Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt ein Lithium-Leitsalz und/oder ein Natrium-Leitsalz enthalten, wobei das Lithium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus LiPFe, LiCIC , LiNOs, CßHisLiNSiz, FzLiNC Sz, CzFßLiNC Sz, LiBfCzC h, LiBF4 und Kombinationen hiervon und/oder das Natrium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus NaPFe, NaBF4, NaTF, NaTFSI, NaCIC und Kombinationen hiervon.
Zudem kann die in dem Verfahren aufgebrachte Beschichtung durch eine Kontaktierung mit einem Flüssigelektrolyten einen quasifesten Zustand oder einen gelförmigen Zustand einnehmen.
Der in dem Verfahren verwendete metallische Ableiter kann ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das eine höhere Vickershärte aufweist als das Metall der Metallstruktur. Ferner kann der in dem Verfahren verwendete metallische Ableiter ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Edelstahl, Kupfer, Nickel und Kombinationen und Legierungen hiervon, wobei das Metall bevorzugt Edelstahl, insbesondere Edelstahl 1.4301, ist. Edelstahl hat den Vorteil, dass es eine hohe Vickershärte aufweist und keine Legierung mit Lithium ausbildet. Ferner ist es als kostengünstiges, kommerzielles Material in allen Formen und Strukturen erhältlich.
Zudem kann der in dem Verfahren verwendete metallische Ableiter durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Unterseite des metallischen Ableiters in Richtung der Metallstruktur von mindestens 2000 kg/cm2, bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm2, in die Metallstruktur eingedrückt werden, wobei der mechanische Druck besonders bevorzugt über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert wird.
Abgesehen davon kann der in dem Verfahren verwendete metallische Ableiter von der Oberseite zur Unterseite eine Vielzahl von durchgängigen Öffnungen aufweisen.
Darüber hinaus kann der in dem Verfahren verwendete metallische Ableiter beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle zur mechanischen Beständigkeit gegenüber volumetrischer Ausdehnungen beim Zyklisieren beitragen, insbesondere beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle gegenüber einer volumetrischen Ausdehnung während einem Zyklisieren mechanisch beständig sein.
Ferner kann der in dem Verfahren verwendete metallische Ableiter in einer Richtung senkrecht auf die Unterseite der Metallstruktur, eine Höhe im Bereich von 1 bis 100 pm, bevorzugt 5 bis 50 pm, besonders bevorzugt 10 bis 40 pm, optional 10 bis 20 pm, aufweisen.
Der in dem Verfahren verwendete metallische Ableiter kann als löchrige Folie, löchriges Streckmetall oder Drahtnetz ausgestaltet sein. Bevorzugt ist der metallische Ableiter als Drahtnetz ausgestaltet. Der Vorteil eines Drahtnetzes ist, dass feinverteilte Heterogenitäten durch ein feinmaschiges Netz eingebracht werden können, was eine homogene, dreidimensionale Stromdichteverteilung über die gesamte negative Elektrode (Anode) bewirkt. Das Drahtnetz weist besonders bevorzugt eine Maschenweite im Bereich von 0,01 bis 0,1 mm, insbesondere im Bereich von 0,04 bis 0,063 um, auf. Ferner ist besonders bevorzugt, dass das Drahtnetz Drähte enthält oder daraus besteht, die einen Durchmesser im Bereich von 0,020 bis 0,050 mm, bevorzugt im Bereich von 0,028 bis 0,040 mm, aufweisen.
Erfindungsgemäß wird ferner eine negative Elektrode für eine galvanische Zelle bereitgestellt, enthaltend oder bestehend aus i) eine flächige Meta II Struktur, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metallfolie, Streckmetall, Lochblech, Metallnetz und Kombinationen hiervon, wobei die Metallstruktur eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, wobei die Metallstruktur nicht aus Lithiummetall besteht; ii) eine Beschichtung, die auf der Oberseite der Metallstruktur aufgebracht ist, wobei die Beschichtung ein Polymer und/oder keramische Partikel enthält oder daraus besteht; und iii) einen flächigen metallischen Ableiter, wobei der metallische Ableiter eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, die maximal so groß ist wie die Höhe der Metallstruktur, wobei der metallische Ableiter zumindest auf der Oberseite eine Vielzahl von Öffnungen aufweist; wobei der metallische Ableiter über eine bestimmte Strecke von der Unterseite der Metallstruktur in Richtung Oberseite der Metallstruktur in die Metallstruktur eingebettet ist, wobei die bestimmte Strecke zumindest teilweise der Höhe des metallischen Ableiters entspricht und wobei Öffnungen des metallischen Ableiters zumindest entlang der bestimmten Strecke mit Metall der Metallstruktur gefüllt sind.
Die erfindungsgemäße negative Elektrode ist einfach und kostengünstig bereitstellbar. Sie weist eine hohe Energiedichte auf Zellebene sowie eine hohe chemische, elektrochemische und mechanische Stabilität auf und weist auf diese Weise eine hohe Zykelstabilität auf. Sie ermöglicht zudem hohe Betriebsströme.
Die Metallstruktur der Elektrode kann Aluminium enthalten oder daraus bestehen, wobei das Aluminium optional mit einem von Aluminium verschiedenen Metall legiert ist, bevorzugt in einem Anteil von 0,1 bis 20,0 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5 bis 5,0 Gew.-%, in Bezug auf das Gesamtgewicht der Metallstruktur. Eine solche Metallstruktur hat den Vorteil, dass ihr spezifisches Gewicht sehr gering ist (z.B. ist die spezifische Dichte nur ca. 30% der von Kupfer) und ihre spezifische elektrische Leitfähigkeit verhältnismäßig hoch ist (z.B. ist die elektrische Leitfähigkeit ca. 65% der von Kupfer). Folglich weist Aluminium beispielsweise gegenüber Kupfer ein besseres Verhältnis aus elektrischer Leitfähigkeit zu spezifischem Gewicht auf, was es gerade für mobile Anwendungen leistungsfähiger und attraktiver als eine Metallstruktur aus Kupfer macht. Ein weiterer Vorteil von Aluminium ist, dass es Legierung mit Lithium ausbildet, die zu einer potenzialbedingten Herabsetzung der Dendritengefahr im Vergleich zu Lithiummetall beitragen. Ferner kann Aluminium ein niedriges Anodenpotenzial U bereitstellen (U von LiAI-Legierung ist ca. 0,3V vs Li/Li+, was vergleichbar mit Graphit ist). Darüber hinaus kann Aluminium eine hohe spezifische Kapazität bereitstellen (z.B. als LiAl 993 Ah/kg, was der dreifachen Kapazität von Graphit entspricht). Zudem ermöglicht Aluminium eine hohe Energiedichte E = C * U und ist kostengünstiger als andere passende Legierungsbildner wie Indium oder Silizium.
Ferner kann die Metallstruktur der Elektrode mindestens ein Element ausgewählt aus der II. Hauptgruppe des Periodensystems, der III. Hauptgruppe des Periodensystems, der IV. Hauptgruppe des Periodensystems, einer Nebengruppe des Periodensystems und Kombinationen hiervon, enthalten, wobei das mindestens eine Element bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesium, Indium, Zink, Zinn, Silizium, Mangan und Kombinationen hiervon.
Abgesehen davon kann die Metallstruktur der Elektrode eine Höhe, in einer Richtung senkrecht auf die Oberseite der Metallstruktur, im Bereich von 1 bis 100 pm, bevorzugt 5 bis 50 pm, besonders bevorzugt 10 bis 40 pm, aufweisen. Darüber hinaus kann die Meta II Struktur der Elektrode eine Oberseite und/oder Unterseite aufweisen, die eine Oberflächenstrukturierung aufweist. Die Oberflächenstrukturierung kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus gebürstete Oberflächenstrukturierung, geriffelte Oberflächenstrukturierung, geprägte Oberflächenstrukturierung und Kombinationen hiervon.
Die keramischen Partikel der Beschichtung können ein Material enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus keramisches Oxid, keramisches Sulfid, keramisches Sulfat, keramisches Phosphid, keramisches Phosphat, keramisches Silikat, keramisches Nitrid, keramisches Nitrat und Kombinationen hiervon. Besonders bevorzugt ist das Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumphosphorsulfid (U3PS4), Lithium- Germanium-Phosphorsulfid (LiioGePzS ), Lithium-Silizium-Phosphorsulfid (LinSizPSiz), LiePSsCI, LißPSsBr, Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Lithiumaluminiumsilikat und Kombinationen hiervon, wobei das Material insbesondere Aluminiumoxid (AI2O3) ist. AI2O3 hat den Vorteil, dass es kostengünstig im Vergleich zu Festelektrolytsalzen wie Lithiumphosphorsulfid ist. Ferner bildet AI2O3 eine inerte Schutzschicht aus, sodass keine unerwünschten Nebenreaktionen auftreten. Darüber hinaus sorgt eine Verarbeitung von A Os-Pa rtikeln in Beschichtung für poröse Struktur, was eine optimierte Elektrolytverteilung, d.h. einen SEI-Precursor-Effekt, bewirkt.
Ferner können die keramischen Partikel der Beschichtung einen mittleren Partikeldurchmesser dso im Bereich von 0,05 bis 30 pm, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 1 pm, aufweisen, wobei sich der mittlere Partikeldurchmesser auf einen mit dynamischer Lichtstreuung bestimmten Partikeldurchmesser bezieht.
Das Polymer der Beschichtung kann einen Kunststoff enthalten oder daraus bestehen, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien- Kautschuk, hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Polyisobutylen und Kombinationen hiervon. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Kunststoff um Polyisobutylen. Polyisobutylen hat den Vorteil, dass es eine gute Adhäsion bewirkt, d.h. eine gute Haftung der Beschichtung hervorruft. Ferner ist die Nachhaltigkeit und Umweltverträglich von Polyisobutylen im Vergleich zu fluorierten Verbindungen höher. Ferner kann das Polymer der Beschichtung einen fluorierten Kunststoff enthalten oder daraus bestehen, wobei der fluorierte Kunststoff insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PVDF, PVDF-HFP und Kombinationen hiervon.
Die Beschichtung kann mechanisch aufgewalzt sein.
Ferner kann die Beschichtung über Nassbeschichtung und/oder Trockenbeschichtung aufgebracht sein.
Darüber hinaus kann die Beschichtung durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf Beschichtung in Richtung der Meta II Struktur von mindestens 2000 kg/cm2, bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm2, auf, und bevorzugt in, die Metallstruktur gedrückt worden sein, wobei der mechanische Druck besonders bevorzugt über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert wurde.
Abgesehen davon kann die Beschichtung in einer Richtung senkrecht Oberseite der Metallstruktur, eine Höhe im Bereich von 0,05 bis 2 pm, bevorzugt 0,1 bis 1 pm, aufweisen.
Die Beschichtung kann eine poröse Beschichtung sein.
Ferner kann die Beschichtung einen Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt für eine galvanische Zelle aufweisen.
Der Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt kann eine Flüssigkeit enthalten, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus EC, PC, DMC, EMC, DEC, VEC, VC, FEC, TBAC (Acetyltributylcitrat), GTB (Glycerintributyrat), GTA (Glycerintriacetat), y-Buthyrolacton, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon. Besonders bevorzugt enthält der Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt eine Flüssigkeit, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PC, FEC, EC, VEC, TBAC, GTB, GTA, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon. PC, FEC, EC, VEC, TBAC, GTB, GTA und ionische Flüssigkeiten haben den Vorteil, dass sie hochsiedende Flüssigkeiten sind, die eine hohe Temperaturstabilität aufweisen, was die Brandgefahr herabsetzt und die Betriebssicherheit erhöht.
Ferner kann der Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt ein Lithium-Leitsalz und/oder ein Natrium-Leitsalz enthalten, wobei das Lithium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus LiPFe, LiCIC , LiNOs, CßHisLiNSiz, FzLiNC Sz, CzFßLiNC Sz, LiBfCzC h, LiBF4 und Kombinationen hiervon und/oder das Natrium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus NaPFe, NaBF4, NaTF, NaTFSI, NaCIC und Kombinationen hiervon.
Darüber hinaus kann der Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt (durch Aufweisen eines Flüssigelektrolyten) in einem quasifesten Zustand oder einem gelförmigen Zustand vorliegen.
Der metallische Ableiter kann ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das eine höhere Vickershärte aufweist als das Metall der Metallstruktur.
Ferner kann der metallische Ableiter ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Edelstahl, Kupfer, Nickel und Kombinationen und Legierungen hiervon, wobei das Metall bevorzugt Edelstahl, insbesondere Edelstahl 1.4301, ist. Edelstahl hat den Vorteil, dass es eine hohe Vickershärte aufweist und keine Legierung mit Lithium ausbildet. Ferner ist es als kostengünstiges, kommerzielles Material in alle Formen und Strukturen erhältlich.
Darüber hinaus kann der metallische Ableiter durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Unterseite des metallischen Ableiters in Richtung der Metallstruktur von mindestens 2000 kg/cm2, bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm2, in die Metallstruktur eingedrückt worden sein, wobei der mechanische Druck besonders bevorzugt über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert wurde.
Abgesehen davon kann der metallische Ableiter von der Oberseite zur Unterseite eine Vielzahl von durchgängigen Öffnungen aufweisen. Es ist bevorzugt, dass der metallische Ableiter beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle zur mechanischen Beständigkeit gegenüber volumetrischer Ausdehnungen beim Zyklisieren beitragen, insbesondere beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle gegenüber einer volumetrischen Ausdehnung während einem Zyklisieren mechanisch beständig sein.
Der metallische Ableiter kann, in einer Richtung senkrecht auf die Unterseite der Meta II Struktur, eine Höhe im Bereich von 1 bis 100 um, bevorzugt 5 bis 50 Um, besonders bevorzugt 10 bis 40 um, optional 10 bis 20 pm, aufweisen.
Der metallische Ableiter kann als löchrige Folie, löchriges Streckmetall oder Drahtnetz ausgestaltet sein. Der metallische Ableiter ist bevorzugt als Drahtnetz ausgestaltet. Der Vorteil eines Drahtnetzes ist, dass feinverteilte Heterogenitäten durch ein feinmaschiges Netz eingebracht werden können, was eine homogene, dreidimensionale Stromdichteverteilung über die gesamte negative Elektrode (Anode) bewirkt. Das Drahtnetz weist besonders bevorzugt eine Maschenweite im Bereich von 0,01 bis 0,1 mm, insbesondere im Bereich von 0,04 bis 0,063 pm, auf. Ferner enthält oder besteht das Drahtnetz besonders bevorzugt aus Drähten, die einen Durchmesser im Bereich von 0,020 bis 0,050 mm, bevorzugt im Bereich von 0,028 bis 0,040 mm, aufweisen.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist die erfindungsgemäße negative Elektrode mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. In diesem Fall weist die erfindungsgemäße negative Elektrode Merkmale auf, die zwangsweise durch die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der negativen Elektrode hervorgerufen werden.
Erfindungsgemäß wird ferner eine galvanische Zelle bereitgestellt die eine erfindungsgemäße negative Elektrode (Anode), eine Kathode und einen Elektrolyten enthält. Der Elektrolyt ist bevorzugt ein Flüssigelektrolyt, der aufgrund einer Diffusion in die Beschichtung in einem Gel vorliegen kann, das durch die Beschichtung und den Flüssigelektrolyten gebildet wird. Es wird ferner die Verwendung der erfindungsgemäßen galvanischen Zelle zur Energieversorgung i) einer mobilen Vorrichtung, bevorzugt eines Mobiltele- fons, eines Fahrzeugs, eines Flugzeugs und/oder eines Schiffs; und/oder ii) einer stationären Vorrichtung, bevorzugt eines Gebäudes, vorgeschlagen.
Anhand der nachfolgenden Figur und des nachfolgenden Beispiels soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier dargestellten, spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Die Figur zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren und eine erfindungsgemäße Elektrode. Auf eine Metallstruktur 3 (z.B. eine Aluminiumfolie) wird an deren Oberseite eine Beschichtung 2 (z.B. Aluminiumsilikat-Beschichtung) aufgebracht und an deren Unterseite ein metallischer Ableiter 4 (z.B. ein Edelstahldrahtnetz) aufgebracht. Diese Metallstruktur wird zwischen einen oberen Pressstempel 1 einer Kalthebelpresse und einen unteren Pressstempel
5 einer Kalthebelpresse angeordnet und durch die Kalthebelpresse eine Presskraft auf die Beschichtung 2 der Metallstruktur 3 in Richtung Metallstruktur 3 einerseits und auf den metallischen Ableiter 4 der Metallstruktur 3 in Richtung Metallstruktur 3 andererseits ausgeübt. Dadurch wird die Beschichtung 2 an oder in die Oberseite der Metallstruktur 3 gepresst, sodass ein oberer Abschnitt
6 der Metallstruktur 3 entsteht, an oder in den die Beschichtung 2 gepresst ist. Ferner wird der metallische Ableiter 4 in die Unterseite der Metallstruktur 3 gepresst, sodass ein unterer Abschnitt 7 der Metallstruktur 3 entsteht, in den der metallische Ableiter 4 gepresst ist.
Beispiel - Herstellung einer negativen Elektrode für eine galvanische Zelle
Auf eine Aluminiumfolie als Metallstruktur (Folienstärke: 10 pm) wird zunächst auf der ersten Seite (Oberseite) durch Rakeln eine Beschichtung aus Aluminiumsilikat aufgebracht, sodass auf der Oberseite der Aluminiumfolie eine Beschichtung aus Aluminiumsilikat mit einer Nassfilmdicke von 300 pm entsteht.
Auf einer zweiten Seite der beschichteten Aluminiumfolie (Unterseite) wird als metallischer Ableiter ein Edelstahldrahtnetz (aus Edelstahl 1.4301 mit einer Maschenweite von 0,04 mm, einem Drahtdurchmesser von 0,028 mm und einer Dicke von 10 um) aufgebracht.
Anschließend wird mithilfe einer Kalthebelpresse bei einem Pressdruck von 3500 kg/cm2 bei Raumtemperatur (25 °C) für eine Dauer von 15 Sekunden die Beschichtung aus Aluminiumsilikat an bzw. in die Oberseite der Aluminiumfolie gepresst und das Edelstahldrahtnetz in die Unterseite der Aluminiumfolie gepresst. Dabei entsteht eine Aluminiumfolie, an bzw. in deren Oberseite die Beschichtung aus Aluminiumsilikat gepresst ist und in deren Unterseite das Edelstahldrahtnetz gepresst ist, wobei das Edelstahldrahtnetz in diesem Fall über seine gesamte Höhe in die Unterseite der Aluminiumfolie eingepresst ist.
1: oberer Pressstempel einer Kalthebelpresse;
2: Beschichtung auf der Oberseite der der Meta II Struktur (z.B. Aluminiumsilikat -Beschichtung);
3: Metallstruktur (z.B. Aluminiumfolie);
4: metallischer Ableiter (z.B. Edelstahldrahtnetz);
5: unterer Pressstempel einer Kalthebelpresse;
6: Oberer Abschnitt der Metallstruktur, an oder in den die Beschichtung gepresst ist; und
7: Unterer Abschnitt der Metallstruktur, in den der metallische Ableiterge- presst ist.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine galvanische Zelle, umfassend a) Bereitstellen einer flächigen Metallstruktur, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Meta I Ifolie, Streckmetall, Lochblech, Metallnetz und Kombinationen hiervon, wobei die flächige Metallstruktur eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, wobei die Metallstruktur nicht aus Lithiummetall besteht; b) Aufbringen einer Beschichtung auf die Oberseite der Metallstruktur, wobei die Beschichtung ein Polymer und/oder keramische Partikel enthält oder daraus besteht; c) Aufbringen einer flächigen Oberseite eines flächigen metallischen Ableiters auf die Unterseite der Metallstruktur, wobei der metallische Ableiter eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, die maximal so groß ist wie die Höhe der Metallstruktur, wobei der metallische Ableiter zumindest auf der Oberseite eine Vielzahl von Öffnungen aufweist; d) Eindrücken des metallische Ableiters über eine bestimmte Strecke, die zumindest teilweise der Höhe des metallischen Ableiters entspricht, in die Metallstruktur durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Unterseite des metallischen Ableiters, wodurch sich die Öffnungen des metallischen Ableiters zumindest entlang der bestimmten Strecke mit Metall der Metallstruktur füllen. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallstruktur i) Aluminium enthält oder daraus besteht, wobei das Aluminium optional mit einem von Aluminium verschiedenen Metall legiert ist, bevorzugt in einem Anteil von 0,1 bis 20,0 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5 bis 5,0 Gew.-%, in Bezug auf das Gesamtgewicht der Metallstruktur; und/oder ii) mindestens ein Element ausgewählt aus der II. Hauptgruppe des Periodensystems, der III. Hauptgruppe des Periodensystems, der IV. Hauptgruppe des Periodensystems, einer Nebengruppe des Periodensystems und Kombinationen hiervon enthält, wobei das mindestens eine Element bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesium, Indium, Zink, Zinn, Silizium, Mangan und Kombinationen hiervon; und/oder iii) eine Höhe, in einer Richtung senkrecht auf eine Fläche der Metallstruktur, im Bereich von 1 bis 100 pm, bevorzugt 5 bis 50 pm, besonders bevorzugt 10 bis 40 pm, aufweist; und/oder iv) eine Oberseite und/oder Unterseite aufweist, die eine Oberflächenstrukturierung aufweist, die bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus gebürstete Oberflächenstrukturierung, geriffelte Oberflächenstrukturierung, geprägte Oberflächenstrukturierung und Kombinationen hiervon. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel der Beschichtung i) ein Material enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus keramisches Oxid, keramisches Sulfid, keramisches Sulfat, keramisches Phosphid, keramisches Phosphat, keramisches Silikat, keramisches Nitrid, keramisches Nitrat und Kombinationen hiervon, wobei das Material besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumphosphorsulfid, Lithium-Germanium-Phosphorsulfid, Lithium-Silizium- Phosphorsulfid, LißPSsCI, LißPSsBr, Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Lithiumaluminiumsilikat und Kombinationen hiervon, wobei das Material insbesondere Aluminiumoxid ist; und/oder ii) einen mittleren Partikeldurchmesser dso im Bereich von 0,05 bis 30 um, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 1 um, aufweisen, wobei sich der mittlere Partikeldurchmesser auf einen mit dynamischer Lichtstreuung bestimmten Partikeldurchmesser bezieht.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer der Beschichtung i) einen Kunststoff enthält oder daraus besteht, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Polyisobutylen und Kombinationen hiervon, wobei der Kunststoff insbesondere Polyisobutylen ist; und/oder ii) einen fluorierten Kunststoff enthält oder daraus besteht, wobei der fluorierte Kunststoff insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PVDF, PVDF-HFP und Kombinationen hiervon.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung i) mechanisch aufgewalzt wird; und/oder ii) über Nassbeschichtung und/oder Trockenbeschichtung aufgebracht wird; und/oder iii) durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Beschichtung in Richtung der Metallstruktur von mindestens 2000 kg/cm2, bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm2, auf, und bevorzugt in, die Metallstruktur gedrückt wird, wobei der mechanische Druck besonders bevorzugt über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert wird; und/oder iv) in einer Richtung senkrecht auf die Oberseite der Metallstruktur, eine Höhe im Bereich von 0,05 bis 200 pm, bevorzugt 0,1 bis 100 pm, aufweist; und/oder v) eine poröse Beschichtung ist; und/oder vi) mit einem Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt für eine galvanische Zelle kontaktiert wird, der eine Flüssigkeit enthält, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus EC, PC, DMC, EMC, DEC, VEC, VC, FEC, TBAC (Acetyltributylcitrat), GTB (Glycerintributyrat), GTA (Glycerintriacetat), y- Buthyrolacton, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon, besonders bevorzugt eine Flüssigkeit, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PC, FEC, EC, VEC, TBAC, GTB, GTA, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon, und/oder ein Lithium-Leitsalz und/oder ein Natrium-Leitsalz enthält, wobei das Lithium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus LiPFe, LiCIC , LiNOs, CßHisLiNSiz, FzLiNC Sz, CzFßLiNC Sz, LiBfCzC h, LiBF4 und Kombinationen hiervon und/oder das Natrium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus NaPFe, NaBF4, NaTF, NaTFSI, NaCIC und Kombinationen hiervon; und/oder vii) durch eine Kontaktierung mit einem Flüssigelektrolyten einen quasifesten Zustand oder einen gelförmigen Zustand einnimmt. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Ableiter i) ein Metall enthält oder daraus besteht, das eine höhere Vickers- härte aufweist als das Metall der Metallstruktur; und/oder ii) ein Metall enthält oder daraus besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Edelstahl, Kupfer, Nickel und Kombinationen und Legierungen hiervon, wobei das Metall bevorzugt Edelstahl, insbesondere Edelstahl 1.4301, ist; und/oder iii) durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Unterseite des metallischen Ableiters in Richtung der Metallstruktur von mindestens 2000 kg/cm2, bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm2, in die Metallstruktur eingedrückt wird, wobei der mechanische Druck besonders bevorzugt über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert wird; und/oder iv) von der Oberseite zur Unterseite eine Vielzahl von durchgängigen Öffnungen aufweist; und/oder v) beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle zur mechanischen Beständigkeit gegenüber volumetrischer Ausdehnungen beim Zyklisieren beiträgt, insbesondere beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle gegenüber einer volumetrischen Ausdehnung während einem Zyklisieren mechanisch beständig ist; und/oder vi) in einer Richtung senkrecht auf die Unterseite der Metallstruktur, eine Höhe im Bereich von 1 bis 100 pm, bevorzugt 5 bis 50 pm, besonders bevorzugt 10 bis 40 pm, optional 10 bis 20 pm, aufweist. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Ableiter als löchrige Folie, löchriges Streckmetall oder Drahtnetz ausgestaltet ist, wobei der metallische Ableiter bevorzugt als Drahtnetz ausgestaltet ist, wobei das Drahtnetz besonders bevorzugt i) eine Maschenweite im Bereich von 0,01 bis 0,1 mm, insbesondere im Bereich von 0,04 bis 0,063 pm, aufweist; und/oder ii) Drähte enthält oder daraus besteht, die einen Durchmesser im Bereich von 0,020 bis 0,050 mm, bevorzugt im Bereich von 0,028 bis 0,040 mm, aufweisen. Negative Elektrode für eine galvanische Zelle, enthaltend oder bestehend aus i) eine flächige Metallstruktur, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metallfolie, Streckmetall, Lochblech, Metallnetz und Kombinationen hiervon, wobei die Metallstruktur eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, wobei die Metallstruktur nicht aus Lithiummetall besteht; ii) eine Beschichtung, die auf der Oberseite der Metallstruktur aufgebracht ist, wobei die Beschichtung ein Polymer und/oder keramische Partikel enthält oder daraus besteht; und iii) einen flächigen metallischen Ableiter, wobei der metallische Ableiter eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite aufweist und in einer Richtung senkrecht zur Oberseite und Unterseite eine bestimmte Höhe aufweist, die maximal so groß ist wie die Höhe der Metallstruktur, wobei der metallische Ableiter zumindest auf der Oberseite eine Vielzahl von Öffnungen aufweist; wobei der metallische Ableiter über eine bestimmte Strecke von der Unterseite der Metallstruktur in Richtung Oberseite der Metallstruktur in die Metallstruktur eingebettet ist, wobei die bestimmte Strecke zumindest teilweise der Höhe des metallischen Ableiters entspricht und wobei Öffnungen des metallischen Ableiters zumindest entlang der bestimmten Strecke mit Metall der Metallstruktur gefüllt sind. Elektrode gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallstruktur i) Aluminium enthält oder daraus besteht, wobei das Aluminium optional mit einem von Aluminium verschiedenen Metall legiert ist, bevorzugt in einem Anteil von 0,1 bis 20,0 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5 bis 5,0 Gew.-%, in Bezug auf das Gesamtgewicht der Metallstruktur; und/oder ii) mindestens ein Element ausgewählt aus der II. Hauptgruppe des Periodensystems, der III. Hauptgruppe des Periodensystems, der IV. Hauptgruppe des Periodensystems, einer Nebengruppe des Periodensystems und Kombinationen hiervon enthält, wobei das mindestens eine Element bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesium, Indium, Zink, Zinn, Silizium, Mangan und Kombinationen hiervon; und/oder iii) eine Höhe, in einer Richtung senkrecht auf die Oberseite der Metallstruktur, im Bereich von 1 bis 100 pm, bevorzugt 5 bis 50 pm, besonders bevorzugt 10 bis 40 pm, aufweist; und/oder v) Metallstruktureine Oberseite und/oder Unterseite aufweist, die eine Oberflächenstrukturierung aufweist, die bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus gebürstete Oberflächenstrukturierung, geriffelte Oberflächenstrukturierung, geprägte Oberflächenstrukturierung und Kombinationen hiervon. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dass die keramischen Partikel der Beschichtung i) ein Material enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus keramisches Oxid, keramisches Sulfid, keramisches Sulfat, keramisches Phosphid, keramisches Phosphat, keramisches Silikat, keramisches Nitrid, keramisches Nitrat und Kombinationen hiervon, wobei das Material besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumphosphorsulfid, Lithium-Germanium-Phosphorsulfid, Lithium-Silizium- Phosphorsulfid, LißPSsCI, LißPSsBr, Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Lithiumaluminiumsilikat und Kombinationen hiervon, wobei das Material insbesondere Aluminiumoxid ist; und/oder ii) einen mittleren Partikeldurchmesser dso im Bereich von 0,05 bis 30 pm, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 1 pm, aufweisen, wobei sich der mittlere Partikeldurchmesser auf einen mit dynamischer Lichtstreuung bestimmten Partikeldurchmesser bezieht. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer der Beschichtung i) einen Kunststoff enthält oder daraus besteht, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Polyisobutylen und Kombinationen hiervon, wobei der Kunststoff insbesondere Polyisobutylen ist; und/oder ii) einen fluorierten Kunststoff enthält oder daraus besteht, wobei der fluorierte Kunststoff insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PVDF, PVDF-HFP und Kombinationen hiervon. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung i) mechanisch aufgewalzt ist; und/oder ii) über Nassbeschichtung und/oder Trockenbeschichtung aufgebracht ist; und/oder iii) durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf Beschichtung in Richtung der Metallstruktur von mindestens 2000 kg/cm2, bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm2, auf, und bevorzugt in, die Metallstruktur gedrückt wurde, wobei der mechanische Druck besonders bevorzugt über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert wurde; und/oder iv) in einer Richtung senkrecht Oberseite der Metallstruktur, eine Höhe im Bereich von 0,05 bis 2 pm, bevorzugt 0,1 bis 1 pm, aufweist; und/oder v) eine poröse Beschichtung ist; und/oder vi) einen Flüssigelektrolyt und/oder Gelelektrolyt für eine galvanische Zelle aufweist, der eine Flüssigkeit enthält, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus EC, PC, DMC, EMC, DEC, VEC, VC, FEC, TBAC (Acetyltributylcitrat), GTB (Glycerintributyrat), GTA (Glycerintriacetat), y- Buthyrolacton, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon, besonders bevorzugt eine Flüssigkeit, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PC, FEC, EC, VEC, TBAC, GTB, GTA, ionische Flüssigkeit und Kombinationen hiervon, und/oder ein Lithium-Leitsalz und/oder ein Natrium-Leitsalz enthält, wobei das Lithium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus LiPFe, LiCIC , LiNOs, CßHisLiNSiz, F2LiNO4S2, C2FeLiNO4S2, LiB[C2O4]2, LiBF4 und Kombinationen hiervon und/oder das Natrium-Leitsalz insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus NaPFe, NaBF4, NaTF, NaTFSI, NaCIC und Kombinationen hiervon; und/oder vii) durch Aufweisen eines Flüssigelektrolyten in einem quasifesten Zustand oder einem gelförmigen Zustand vorliegt.
13. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Ableiter i) ein Metall enthält oder daraus besteht, das eine höhere Vickers- härte aufweist als das Metall der Metallstruktur; und/oder ii) ein Metall enthält oder daraus besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Edelstahl, Kupfer, Nickel und Kombinationen und Legierungen hiervon, wobei das Metall bevorzugt Edelstahl, insbesondere Edelstahl 1.4301, ist; und/oder iii) durch Ausübung eines mechanischen Drucks auf die Unterseite des metallischen Ableiters in Richtung der Metallstruktur von mindestens 2000 kg/cm2, bevorzugt eines mechanischen Drucks im Bereich von 2500 bis 6000 kg/cm2, in die Metallstruktur eingedrückt wurde, wobei der mechanische Druck besonders bevorzugt über eine Kalthebelpresse für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30 °C appliziert wurde; und/oder iv) von der Oberseite zur Unterseite eine Vielzahl von durchgängigen Öffnungen aufweist; und/oder v) beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle zur mechanischen Beständigkeit gegenüber volumetrischer Ausdehnungen beim Zyklisieren beiträgt, insbesondere beim Betrieb der Elektrode in einer galvanischen Zelle gegenüber einer volumetrischen Ausdehnung während einem Zyklisieren mechanisch beständig ist; und/oder vi) in einer Richtung senkrecht auf die Unterseite der Metallstruktur, eine Höhe im Bereich von 1 bis 100 pm, bevorzugt 5 bis 50 pm, besonders bevorzugt 10 bis 40 pm, optional 10 bis 20 pm, aufweist. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Ableiter als löchrige Folie, löchriges Streckmetall oder Drahtnetz ausgestaltet ist, wobei der metallische Ableiter bevorzugt als Drahtnetz ausgestaltet ist, wobei das Drahtnetz beson- ders bevorzugt i) eine Maschenweite im Bereich von 0,01 bis 0,1 mm, insbesondere im Bereich von 0,04 bis 0,063 pm, aufweist; und/oder ii) Drähte enthält oder daraus besteht, die einen Durchmesser im Bereich von 0,020 bis 0,050 mm, bevorzugt im Bereich von 0,028 bis 0,040 mm, aufweisen. Galvanische Zelle, enthaltend eine negative Elektrode gemäß einem der Ansprüche 8 bis 14, eine Kathode und einen Elektrolyten. Verwendung der galvanischen Zelle gemäß Anspruch 15 zur Energieversorgung i) einer mobilen Vorrichtung, bevorzugt eines Mobiltelefons, eines
Fahrzeugs, eines Flugzeugs und/oder eines Schiffs; und/oder ii) einer stationären Vorrichtung, bevorzugt eines Gebäudes.
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